공학 올립니다 계측 및 센서응용 실험 올립니다 광섬유센서
[공학] [계측 및 센서응용 실험] 광섬유센서
[계측 및 센서응용 실험] 광섬유센서
①실험이론
광섬유센서 (Optical Fiber Sensor, 光纖維)
모듈형 광센서는 빛 자체를 정량적으로 검출하기보다는 빛을 이용하여 물체의 유무를 검출하거나, 속도나 위치의 결정에 이용하기도 하며, 레벨검출, 특정 표시의 식별 등을 하는 곳에 많이 이용되고 있다.
광센서는 응용분야가 넓은 만큼 종류도 여러 가지가 있는데 크게는 투광부(sender or emitter)와 수광부(receiver)의 구성 여부에 따라 일체형과 분리형으로 나눌 수 있으며 이중 일체형은 직접 반사형파 거울 반사형 두 가지로 나눌 수 있다. 물론 주변 환경에 의한 영향(온도, 기계적 변형)이 우려되거나 미소부분의 검출에 사용되는 광파이버(Fiver optical) 센서도 이들의 형태로 나뉘어 진다.
광섬유 센서의 원리 및 구성
광섬유는 굵기가 약 100Ωm 정도의 석영유리로 만들어져 있는데, 광섬유 속으로 들어간 빛은 밖으로 빠져 나오지 않고 빛의 전반사 원리에 의거해서 광섬유를 따라 진행한다. 1970년대 초반부터 본격적으로 개발되어 지금은 널리 알려진 광섬유는, 전송 손실이 매우 적고 (100㎞ 전송 시 1%투과), 주파수 대역폭이 넓어 전자 신호 대신 빛을 이용한 광통신에 이용되어 통신기술에 혁신을 가져왔으며 사회 전반에 걸쳐 폭넓은 변화를 일으키고 있다.
센서 응용의 경우 광섬유는 측정할 물리량이 있는 곳에 손쉽게 빛을 전달하는 역할뿐 아니라, 광섬유를 구성하고 있는 유리를 매개로 빛과 측정하고자 하는 외부 신호 사이에 상호작용을 일으키게 하는 역할을 한다. 광섬유가 단순히 빛의 전달 경로 역할만 하는 경우도 많이 있는데 이들도 광섬유 센서로 분류하는 것이 상례이다. 대부분의 광섬유 센서에서는 광섬유에 가해지는 외부 물리량의 변화(신호)에 의해 광섬유 속을 진행하는 빛에 유도되는 여러 가지
특성 변화를 측정하게 되는데 외부에서 가해지는 신호에는 온도, 압력, 전기장, 자기장, 회전, 화학물질의 농도, 기계적인 움직임 등 거의 모든 종류의 물리량들이 포함된다. 이러한 신호들에 의해 변화되는 빛의 성질에는 세기, 위상, 편광, 파장 등이 있으며, 이들의 미세 변화를 측정할 수 있는 여러 가지 방법들이 동원된다. 좀 더 구체적으로 빛의 성질을 변화시키는 물리적 현상의 예로는 굴절률 변화(온도, 압력, 인장력, 화학물질의 노도 등), 편광 상태의 변화(전기장, 자기장, 압력 등), 파장에 따른 광 손실의 변화(화학물질의 노도, 구부림 등) 등으로부터 상대론적 위상변화 (Sagnac 효과로 회전각속도에 의해 유도됨), 비선형 현상(라만 산란, 브릴루앙 산란, kerr 효과 등)들까지 다양하다. 이와 같은 여러 가지 빛의 특성 변화를 읽어, 우리가 원하는 외부 물리량의 변화를 측정하는 것이 광섬유 센서의 기본 원리이다.
광섬유 센서의 기본 구조는 광원, 광섬유, 감지부, 광검출기 및 신호처리로 되어있다. 광원으로는 작고 빛의 세기가 큰 반도체 레이저가 주로 쓰이고 있으며, 파장은 가시광부터 적외선까지 용도에 따라 선택하여 쓴다. 근래에는 희토류가 첨가된 광섬유 레이저 사용도 늘어나고 있으며, 파장 선폭이 매우 넓거나 매우 좁은 광원이 요구되는 경우도 많아 이 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
광섬유의 경우, 광통신용과 달리 그 용도에 따라 특수한 복굴절 특성, 또는 특이한 구조 등을 갖는 광섬유 등이
요구됨에 따라 편광 유지광섬유, 복굴절 제거된 광섬유, 타원 또는 사각형 형태의 광섬유 등 특수 광섬유들과 이들을 사용한 여러 광섬유 소자들이 개발되어있다. 감지부는 외부 물리량과 광섬유 EH가 빛의 상호작용을 일으키는
부분으로, 물리량의 종류에 따라 그 구조도 다양하며 흔히 여러 가지 형태의 광섬유 간섭계가 사용되고 있다.
광 검출기는 광원과 마찬가지로 화합물 반도체가 사용되고 있으며, 신호처리는 변화되는 빛의 특성에 따라
빛의 세기 측정, 간섭계에서의 위상변화 측정, 빛의 파장변화측정 등을 위한 광학적/전기적 신호처리기가 개발되어 사용되고 있다.
이외에도 센서의 감도를 향상시키기 위해 측정하고자 하는 물리량을 빛의 특성 변화로 쉽게 유도해 낼 수 있는
트랜스듀서가 많이 사용되고 있다.
광섬유센서의 특징
광섬유 센서가 다른 센서들에 비해 갖는 장점들은 전자소자 대신에 빛을 이용해 측정한다는 사실과, 이 측정신호의 전달 역시 빛으로 하고 있는데서 기인한다. 우선 전기가 통하는 전도체가 포함되어 있지 않으므로 주변의 여러 장치에서 발생할 수 있는 전자파 장애에 의한 잡음이 없고, 전기적인 접지, 누전, 감전 등의 염려가 없다. 크기가 작고 가벼우며, 거의 모든 종류의 물리량 측정에 이용할 수 있다. 특히 파장이 매우 짧은 빛을 기준으로 측정하게 되어 매우 높은 감도를 보장하고 있다. 뿐만 아니라 통신의 경우와 마찬가지로 광 손실이 적고 정보전송 대역폭이 넓어 많은 수의 센서를 광섬유 한 가닥에 연결하여 동시에 측정할 수 있는 배열형 센서가 가능하며, 수십㎞떨어진 거리에서도 원격측정을 할 수 있고, 위치에 따른 물리량의 분포를 측정하는 분포계측이 가능하다. 이러한 특징들과 함께 언급해야 될 점은, 광섬유 센서를 이용하면 기존의 기술로는 센서의 동작이 불가능한 환경에서도 사용할 수 있다는 점이다.
광섬유센서의 장점
ㅇ 내구성 : 재질이 석영이므로 부식이 되지 않아 장기계측에 적합하다.
ㅇ 전자기적 중성(electro-mag-netic neutrality) : 광섬유센서는 센서로서의 기능을 수행하기 위해 빛 또는 광파기가
필요한데, 빛의 가장 중요한 특성중의 하나는 번개, 전파탐지기, 무선송신기 등에 의한 전자기파에 의해 영향을 받지
않는다는 점이다. 따라서 측정값이 방해, 간섭을 받지 않으므로 계측의 안정성이 높다.
ㅇ 측정정보 전달능력 : 정보가 빛의 속도로 전달되므로 엄청난 양의 정보처리가 가능하다.
ㅇ 작은크기 : 광섬유의 직경이 1mm(100~200m) 보다 작으므로 측정범위와 정도에 따라 여러 개의 센서가 사용될 수 있다.
기본측정법칙
ㅇLAM(Light
| [1] | [2] | [3] | [4] | [5] | [6] | [7] | [8] | [9] | [10] |
자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/detail.asp?pk=14012743&sid=ddangkung&key=
댓글 없음:
댓글 쓰기